达摩院 2020 预测：量子霸权指日可待！

作者：马超

来源：CSDN

2020年初，阿里巴巴发布《达摩院2020十大科技趋势》。

文章表示：“2019年，‘量子霸权’之争让量子计算在再次成为世界科技焦点。超导量子计算芯片的成果，增强了行业对超导路线及对大规模量子计算实现步伐的乐观预期。2020年量子计算领域将会经历投入进一步增大、竞争激化、产业化加速和生态更加丰富的阶段。作为两个最关键的技术里程碑，容错量子计算和演示实用量子优势将是量子计算实用化的转折点。未来几年内，真正达到其中任何一个都将是十分艰巨的任务，量子计算将进入技术攻坚期。”

在上世纪中叶，爱因斯坦、尼尔斯·玻尔（Niels Henrik David Bohr）、尤利乌斯·罗伯特·奥本海默（Julius Robert Oppenheimer）等顶级科学家，共同领导了“曼哈顿”计划。

这一计划，除了带来众所周知的原子弹外，还汇聚当时世界上最优秀的科技精英，其中理查德·费曼（Richard Phillips Feynman）就是“曼哈顿”计划天才小组成员。

后来也正是费曼在1982年，提出利用量子体系，实现通用计算的想法，让量子计算由梦想走入现实。

1985年，物理学家大卫·杜斯（David Deutsch）在费曼的基础上，提出量子图灵机模型。不过由于实用性受到质疑，量子计算进展一直被搁置起来。

直到20多年后的2007年，加拿大D-Wave系统公司研制成功的16位量子比特超导量子计算机，才正式开启“迷你曼哈顿计划”。

“曼哈顿”计划所产生的核武器，对现实世界的安全体系，产生巨大影响。而在强大算力加持下，量子计算同样会对现有数字世界安全体系产生颠覆。因此，美国才会将量子霸权称为21世纪的“曼哈顿计划”。

量子计算：21世纪的“曼哈顿”计划

与传统CPU的不同之处在于，由于量子特性多，一个量子比特其整体的表示能力将翻倍。量子霸权是量子计算机能够解决经典计算机实际上无法解决的问题的潜在能力。

从计算复杂性理论的角度来说，这通常意味着提供一个超越已知或可能的经典算法的指数级加速。

通俗地讲，量子计算机随着计算单元的增多，其算力增长是指数级的。而传统计算机算力增长，则随计算单元增长呈线性增长。

随着计算单元不断增多，量子计算远胜于传统计算算力。而这就是量子霸权，详见下图。

笔者做为一个骨灰级的量子计算爱好者，非常欣喜地看到，近日中科院院士潘建伟教授与德国、荷兰的科学家合作，首次实现20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，并且在四大关键指标上，均大幅刷新国际记录，逼近实现量子计算研究的重要目标量子霸权。

这项研究突破，是“一个巨大的飞跃”，“是通往实现‘量子霸权’的‘弹簧跳板’”，该实验几近超越传统计算机，这也意味着量子计算领域的一个里程碑。

2019年10月，Google在《自然》杂志发表封面文章Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor时，美国总统特朗普之女伊万卡·特朗普（Ivanka Trump），甚至直接发推官宣美国实现量子霸权，成就堪与莱特兄弟在1903年的飞机首秀相媲美。

虽然这样的说法，遭到了IBM的直接回怼，IBM在官网称：“Google所谓要花1万年的计算，传统计算机在2.5天内就能完成，这还是保守估计。”

不过，这件事也大大增强大众对于量子霸权实现的乐观预期。预计2020年，量子计算领域将会经历投入进一步增大、竞争激化、产业化加速和生态更加丰富的阶段。

量子计算初探

量子计算并非通用计算：由于量子单元并不是简单的0和1，其还有叠加态与相互的纠缠态，它的数学表达式非常复杂，也无法用于通用计算，而且对于每种计算任务，都需要为量子计算单独设计算法。

换言之，量子计算机并不是通用计算机，只能在特定的任务中展现强大优势。比如，量子计算机可以执行Shor算法，并进行快速的因式分解。但是，在若干数字连加、连减等通用计算任务中，并不比传统计算机快。

基本量子逻辑门：与传统计算的与、或、非三类门不同，由于量子比特并不是简单的0、1态，所以它的七种门是这样的：

• Pauli-X gate：相当于经典的逻辑非门；
• Pauli-Y gate：一个复数操作的门；
• Pauli-Z gate：这个门保留基本状态|0〉不变并且将|1〉换成- |1〉；
• Hadamard Gate：使量子处于叠加状态；
• CNOT Gate：使两个量子处于纠缠态；
• SWAP gate：相互交换两个量子位，由三个Pauli-X gate组成；
• CCNOT gate：这是一个操作三个量子比特的的量子逻辑门，如果前两个量子比特是 |1〉，则对第三个量子比特，进行类似于经典的逻辑非门处理，反之则不做操作。

一个最简单的由Hadamard Gate和CNOT Gate组成的量子电子结构如下：

量子霸权之路实现依旧漫长

量子霸权成败，全部源于其指数级的算力成长。传统超算的计算单元之间，是线性累加的关系，因此它很容易通过校验机制滤过错误，并能避免错误的累积。

如前文所述，量子单元间的关系是相干态。所以，如何通过量子纠错，从而避免硬件错误的累积，才是量子霸权路上的最大挑战。

量子纠错并不简单。

首先，量子相干系统与周围环境之间的相互作用，会创造一个通道，而相干性则会在一个被称为退相干的过程中，迅速通过该通道被“泄漏”出来。

因此，研究人员必须设法避免退相干现象的发生。目前，“相干态”仅能维持几分之一秒，而随着量子比特的数量、以及与环境相互作用的可能性的增加，这个挑战将变得越来越大。

其次，量子过程同其它所有的过程一样，存在“杂音”。无论从量子比特中的热量，还是从更为深层的量子物理过程中产生的随机波动，这都会使量子比特的状态翻转、或随机化，最终导致计算失败。

虽然，在经典计算中，也存在这个问题。但在经典计算中，处理它们只需保留每个计算位的两个、或多个副本，以便在随机翻转的位出现时有所准备。

在量子纠错方面，中国科研机构也有一定成就，清华大学交叉信息研究院孙麓岩研究组、段路明研究组与中国科学技术大学邹长铃研究组合作后，在超导量子系统中，实现了微波光子二项式量子纠错码，并首次同时实现逻辑量子比特的量子纠错和通用量子门操控。该论文Quantum error correction and universal gate set operation on a binomial bosonic logical qubit发表在Nature Physics杂志上。

“高精度”和“大规模”的同时突破才能实现量子霸权。

虽然2019年量子计算好消息不断，但是从Google的论文上也可以看到，其虽然实现了大规模的量子计算机，但是其保真度还处于比较低的水平，这样的精度，是无法实现Shor算法的。如何在保证高精度的同时，突破规模的限制，是2020年需要攻坚的工程难题。

量子霸权会在下个十年迎来曙光

不管怎样，中国在量子计算方面并没有落后，阿里、腾讯、百度、华为近年来，先后布局量子计算。

阿里和中科大联合发布了量子计算云平台，在2018年推出了量子模拟器“太章”；腾讯在量子AI、药物研发等领域展开了研究；百度在2018年成立了量子计算研究所；华为在2018年发布了HiQ量子云平台，并在2019年推出“昆仑”量子计算模拟一体机。

预期和现实，总在上下交替的舞蹈中螺旋上升。过去两年，硬件的进展，为量子计算赢得了未来一段时间攻坚作战的粮草。

下一个十年的技术进展，将主要是基础技术的突破和实用性的发展。虽然不一定为大众津津乐道，但这将助推量子计算迎来又一个高潮。